RU2791864C1 - Method for determining the parameters of electrochemical sources of the ship's electric field during its operation - Google Patents

Abstract

FIELD: galvanic pair circuit parameters determination.

SUBSTANCE: invention is intended to determine the parameters of the galvanic pair circuit. The essence of the invention lies in the fact that a cycle of voltage measurements

k=1, 2, …, N is carried out at the electrical disconnection unit (EDU) of the galvanic pair circuit with a voltmeter while the measuring chain is simultaneously connected to the CES as part of the EMF source E_Ω and variable resistance R_Ω for a series of successively increasing resistance values R_Ωk, and at each resistance value R_Ωk, voltage measurements on the EMF are made twice, with a change in the polarity of the EMF source E_Ω. The obtained measurement data of the voltage on the EDU are processed using the Tikhonov regularization method.

EFFECT: ensuring the possibility of measuring the parameters of galvanic pairs with high accuracy.

2 cl, 11 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к защите кораблей по электрическому полю и касается вопросов оперативного измерения параметров электрохимических источников электрического поля корабля на плаву.The invention relates to the protection of ships in the electric field and concerns the issues of operational measurement of the parameters of electrochemical sources of the electric field of a ship afloat.

Электрическое поле корабля (ЭПК) возбуждается в области морской среды, прилегающей к кораблю, в основном, из-за электрохимических процессов в гальванических парах, образованных обшивкой корпуса и каким-либо устройством на корпусе, выполненных из различных металлов, которые контактируют с морской средой и (между собой) по металлу. ЭПК используется эвентуальным противником для срабатывания неконтактных взрывателей мин, поэтому на кораблях применяются различные методы и средства для его снижения и поддержания на низком уровне в процессе плавания. Знание токов основных гальванических пар является одним из необходимых условий контроля ЭПК и электрической защиты корабля в процессе его эксплуатации. Основными конструктивно-технологическими средствами снижения ЭПК являются лакокрасочное покрытие (ЛКП) корпуса и узлы электрического разъединения (УЭР) - диэлектрические вставки, разрывающие цепи гальванических пар. Простая эквивалентная схема цепи гальванической пары представлена на фиг. 1, где R_УЭР и R₀ - сопротивление УЭР и сопротивление внешней части цепи гальванической пары. Последнее является суммой сопротивлений ЛКП, сопротивления участка морской среды между электродами (сопротивление растекания) и так называемых поляризационных сопротивлений электродов пары. ΔЕ - суммарная ЭДС цепи, равная разности стационарных электродных потенциалов катода и анода. Сопротивление R₀ является нелинейным, то есть зависит от силы тока в цепи, из-за явлений поляризации электродов.The ship's electric field (ESF) is excited in the area of the marine environment adjacent to the ship, mainly due to electrochemical processes in galvanic pairs formed by the hull plating and some device on the hull, made of various metals that are in contact with the marine environment and (between themselves) for metal. EPC is used by an eventual enemy to trigger proximity fuses of mines, therefore, various methods and means are used on ships to reduce it and maintain it at a low level during navigation. Knowledge of the currents of the main galvanic pairs is one of the necessary conditions for monitoring the EPC and electrical protection of the ship during its operation. The main constructive and technological means of reducing the EIC are the paintwork (LKP) of the body and the electrical disconnection units (ES) - dielectric inserts that break the circuits of galvanic pairs. A simple equivalent circuit of a galvanic pair circuit is shown in Fig. 1, where R _UER and R ₀ are the UER resistance and the resistance of the external part of the galvanic couple circuit. The latter is the sum of the LCP resistances, the resistance of the section of the marine environment between the electrodes (spreading resistance) and the so-called polarization resistances of the electrodes of the pair. ΔE is the total EMF of the circuit, equal to the difference between the stationary electrode potentials of the cathode and anode. The resistance R ₀ is non-linear, that is, it depends on the strength of the current in the circuit, due to the phenomena of polarization of the electrodes.

УЭР ненадежны в эксплуатации, часто выходят из строя и поэтому требуют постоянного контроля. Для этого, в частности, используется прибор М 151, который предназначен для непрерывного автоматического контроля состояния десяти УЭР наиболее важных гальванических пар. Принцип действия прибора М 151 заключается в измерении напряжения на УЭР, которое сравнивается с предварительно установленным для каждого УЭР напряжением уставки. Если измеренное напряжение между разъединяемыми частями конструкции больше напряжения уставки, то узел разъединения исправен, если меньше - неисправен.UER are unreliable in operation, often fail and therefore require constant monitoring. For this purpose, in particular, the M 151 device is used, which is designed for continuous automatic monitoring of the state of ten UERs of the most important galvanic pairs. The principle of operation of the M 151 device is to measure the voltage on the UER, which is compared with the setpoint voltage pre-set for each UER. If the measured voltage between the disconnected parts of the structure is greater than the set voltage, then the disconnect unit is in good condition, if less, it is faulty.

Существует метод контроля состояния узла электрического разъединения (УЭР), называемый методом вольтметра, амперметра и омметра (прототип) [Руководство по защите корпусов надводных кораблей ВМФ от коррозии и обрастания (РЗК НК-2001), М., Военное издательство, 2002, с. 78-80]. При измерении сопротивления УЭР данным методом используются многопредельные приборы типа тестера с входным сопротивлением не менее 20 кОм/В, например, Ц-4340, Ц-4315, Ц-4353. Основной целью измерений в этом методе является качественный контроль состояния УЭР, однако данные измерений позволяют судить и о состоянии ЛКП корпуса корабля. Способ включает последовательные измерения напряжения, силы тока и сопротивления на участке УЭР. Последовательность операций такова:There is a method for monitoring the state of the electrical disconnect unit (ER), called the method of a voltmeter, ammeter and ohmmeter (prototype) [Guide to protect the hulls of surface ships of the Navy from corrosion and fouling (RZK NK-2001), M., Military publishing house, 2002, p. 78-80]. When measuring the resistance of the UER by this method, multi-limit devices such as a tester with an input resistance of at least 20 kOhm / V are used, for example, Ts-4340, Ts-4315, Ts-4353. The main purpose of measurements in this method is a qualitative control of the state of the SER, however, the measurement data also make it possible to judge the state of the paintwork of the ship's hull. The method includes successive measurements of voltage, current and resistance in the UER section. The sequence of operations is as follows:

1. Контроль состояния узла разъединения начинают с измерения напряжения. При подключении прибора к УЭР в качестве вольтметра, величина измеренного напряжения между деталями УЭР качественно характеризует сопротивление УЭР: если измеряемая разность потенциалов близка к разности стационарных электродных потенциалов электрода и корпуса корабля, то сопротивление УЭР высокое. Если измеренная разность потенциалов равна нулю (или незначительно отличается от нуля), то УЭР поврежден.1. Monitoring the state of the disconnect node begins with a voltage measurement. When the device is connected to the RER as a voltmeter, the value of the measured voltage between the RER parts qualitatively characterizes the RER resistance: if the measured potential difference is close to the difference between the stationary electrode potentials of the electrode and the ship's hull, then the RER resistance is high. If the measured potential difference is zero (or slightly different from zero), then the CER is damaged.

2. Измеряют силу тока в цепи прибора, включенного как амперметр и подключенного параллельно к УЭР. Значение тока, протекающего по прибору, зависит от электродных потенциалов материалов, образующих гальваническую пару, от сопротивления УЭР, а также от качества ЛКП корпуса корабля. При отсутствии ЛКП корпуса значения тока, протекающего через амперметр, тем больше, чем выше сопротивление УЭР. Если же сопротивление ЛКП высокое и в нем нет повреждений, то, при исправном УЭР, сила тока через амперметр близка к нулю.2. Measure the current in the circuit of the device, connected as an ammeter and connected in parallel to the UER. The value of the current flowing through the device depends on the electrode potentials of the materials that form the galvanic pair, on the resistance of the UER, and also on the quality of the paintwork of the ship's hull. In the absence of a LKP case, the value of the current flowing through the ammeter is greater, the higher the resistance of the UER. If the resistance of the paintwork is high and there is no damage in it, then, with a good UER, the current through the ammeter is close to zero.

3. При включении прибора в качестве омметра измеряют сопротивление параллельно соединенных УЭР и остальной части цепи гальванической пары. При этом подключение прибора к контролируемому УЭР производят дважды (с переменой полярности). Показания омметра при отсутствии контакта по металлу в УЭР могут отличаться друг от друга, так как в цепи пары есть собственная ЭДС. Ясно, что показания омметра не определяют ни истинное значение сопротивления УЭР, ни общее сопротивление ЭИП корпуса.3. When the device is turned on, as an ohmmeter, the resistance of the UER connected in parallel and the rest of the galvanic pair circuit is measured. In this case, the connection of the device to the controlled UER is carried out twice (with a change of polarity). The readings of the ohmmeter in the absence of metal contact in the UER may differ from each other, since the pair circuit has its own EMF. It is clear that the readings of the ohmmeter do not determine either the true value of the UER resistance, or the total resistance of the EIP housing.

4. На основе полученных данных измерений состояние узла разъединения и состояние ЭИП корпуса корабля качественно оценивают по приведенной ниже таблице 1, заимствованной из РЗК НК-2001, с. 80.4. Based on the measurement data obtained, the state of the disconnect unit and the state of the EIP of the ship's hull are qualitatively assessed according to Table 1 below, borrowed from RZK NK-2001, p. 80.

Описанный способ имеет ряд недостатков. Одним из них является то, что он позволяет получить лишь сугубо качественную оценку состояния УЭР, а не значение его сопротивления. В процессе его использования по чисто техническим причинам нет возможности правильно (то есть последовательно с УЭР) подключить амперметр для измерения силы тока в цепи гальванической пары, да и подключение омметра дает неправильные значения сопротивления параллельно соединенных R_УЭР, R₀, поскольку в цепи гальванической пары есть свой источник ЭДС. Существенно то, что сопротивление внешней части цепи гальванической пары является нелинейным, то есть зависит от силы тока в цепи, поэтому подключение амперметра или омметра существенно искажает параметры цепи в обычном (рабочем) режиме, прежде всего силу тока. Наконец, при решении вопросов электрической защиты кораблей в первую очередь нужно знать текущее значение силы тока I в цепи гальванической пары, позволяющее оценить ее электрическое поле, наряду с сопротивлениями R_УЭР, R₀.The described method has a number of disadvantages. One of them is that it allows you to get only a purely qualitative assessment of the state of the CER, and not the value of its resistance. In the process of its use, for purely technical reasons, it is not possible to correctly (that is, in series with the UER) connect an ammeter to measure the current strength in the galvanic pair circuit, and connecting the ohmmeter gives incorrect resistance values \u200b\u200bof parallel-connected R _UER , R ₀ , since in the galvanic pair circuit has its own source of emf. It is essential that the resistance of the outer part of the circuit of a galvanic pair is non-linear, that is, it depends on the strength of the current in the circuit, therefore, connecting an ammeter or ohmmeter significantly distorts the parameters of the circuit in normal (working) mode, primarily the strength of the current. Finally, when solving the issues of electrical protection of ships, first of all, it is necessary to know the current value of the current I in the circuit of a galvanic pair, which makes it possible to estimate its electric field, along with the resistances R _UER , R ₀ .

Целью настоящего изобретения является получение количественных значений силы тока, сопротивления УЭР и сопротивления внешней части цепи гальванической пары, а также повышение точности измерений указанных параметров цепи при подключении измерительных приборов только к узлу электрического разъединения.The purpose of the present invention is to obtain quantitative values of the current strength, the resistance of the ESR and the resistance of the external part of the galvanic pair circuit, as well as to improve the measurement accuracy of these circuit parameters when measuring instruments are connected only to the electrical disconnection unit.

Сначала изложим теоретическое обоснование предлагаемого способа. Из-за нелинейности цепи нахождение значений указанных параметров при подключении измерительных приборов только к УЭР является некорректной задачей. Эквивалентная цепь гальванической пары с измерительными приборами (вольтметром и специальной измерительной цепочкой, подключенными к УЭР) представлена на фиг. 2. Измерительная цепочка состоит из последовательно соединенных источника ЭДС Е_Ω, переменного сопротивления R_Ω и амперметра А. Применяя правила Кирхгофа к этой цепи (сопротивление вольтметра считается бесконечно большим), получаем систему трех уравнений:First, we present the theoretical justification of the proposed method. Due to the non-linearity of the circuit, finding the values of the specified parameters when measuring instruments are connected only to the REM is an incorrect task. The equivalent circuit of a galvanic pair with measuring instruments (a voltmeter and a special measuring chain connected to the UER) is shown in Fig. 2. The measuring chain consists of a series-connected EMF source E _Ω , a variable resistance R _Ω and an ammeter A. Applying the Kirchhoff rules to this circuit (the resistance of the voltmeter is considered to be infinitely large), we obtain a system of three equations:

из которой находим выражения для токов во всех звеньях цепи:from which we find expressions for currents in all links of the circuit:

Схема на фиг. 2 показывает, что имеется возможность одновременного измерения силы тока I_Ω в измерительной цепочке и напряжения на УЭР V_УЭР:The scheme in Fig. 2 shows that it is possible to simultaneously measure the current strength I _Ω in the measuring chain and the voltage on the UER V _UER :

поэтому, казалось бы, решая систему уравнений (3) и первого в (2), можно найти искомые значения К_УЭР, R₀. Однако одновременное измерение силы тока в измерительной цепочке I_Ω и напряжения на УЭР V_УЭР не дает возможности получить значения обоих искомых параметров. Чтобы доказать это, запишем указанные уравнения в виде:therefore, it would seem, by solving the system of equations (3) and the first one in (2), it is possible to find the desired values of K _SER , R ₀ . However, the simultaneous measurement of the current strength in the measuring chain I _Ω and the voltage on the UER V _UER does not make it possible to obtain the values of both of the desired parameters. To prove this, we write these equations in the form:

или в виде эквивалентной системы линейных уравнений:or in the form of an equivalent system of linear equations:

где

- новые неизвестные. Зная их, легко найти искомые сопротивления R_УЭР, R₀. Но определитель линейной системы уравнений (5) для неизвестных X, Y

равен нулю, так как согласно второму правилу Кирхгофа для контура на фиг. 2, состоящего из звена УЭР и измерительной цепочки,

Следовательно, при одновременном измерении тока I_Ω и напряжения на УЭР V_УЭР имеется возможность определения только одного искомого параметра. Если бы цепь была линейной (R₀=const), значения параметров R_УЭР, R₀ можно было бы найти, последовательно подключая сначала вольтметр, а потом измерительную цепочку, то есть при различных значениях силы тока в цепи гальванической пары. Но из-за нелинейности цепи при этом будут различными значения сопротивления R₀.Where

- new unknowns. Knowing them, it is easy to find the desired resistances R _UER , R ₀ . But the determinant of the linear system of equations (5) for the unknowns X, Y

is equal to zero, since according to the second Kirchhoff rule for the contour in Fig. 2, consisting of a UER link and a measuring chain,

Therefore, with simultaneous measurement of the current I _Ω and the voltage on the UER V _UER, it is possible to determine only one desired parameter. If the circuit were linear (R ₀ \u003d const), the values of the parameters R _UER , R ₀ could be found by connecting in series first a voltmeter, and then a measuring chain, that is, at different values of the current strength in the galvanic pair circuit. But due to the non-linearity of the circuit, the resistance values R ₀ will be different.

Таким образом, задача определения параметров цепи гальванической пары I, R₀=R₀(I),R_УЭР по измерениям на УЭР является некорректной в математическом смысле: поскольку измерения должны проводиться при одном и том же рабочем (неизвестном) значении силы тока I=I₀, то система уравнений (4), или (5), является сингулярной, тогда как измерениям при заметно отличающихся значениях силы тока I соответствуют различные значения сопротивления R₀(I), и неизвестные X,Y в первом и втором уравнениях системы (5) разные.Thus, the task of determining the parameters of the circuit of a galvanic pair I, R ₀ =R ₀ (I), R _UER according to measurements on the UER is incorrect in the mathematical sense: since the measurements must be carried out at the same working (unknown) current value I = I ₀ , then the system of equations (4) or (5) is singular, while measurements at noticeably different values of current I correspond to different values of resistance R ₀ (I), and unknown X, Y in the first and second equations of the system ( 5) different.

Для преодоления этого противоречия проводим измерения при больших значениях сопротивления RΩ >> R_y, что дает близкие к рабочему значениям силы тока, но система основных уравнений задачи имеет детерминант, близкий к нулю. Чтобы сохранить приемлемую точность, при решении плохо обусловленной системы основных уравнений, применяем метод регуляризации Тихонова [Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974, 222 с.], и выполняем вместо двух целую серию измерений с последовательно возрастающими значениями R_Ω. Решение этой задачи принципиально является приближенным, как в силу плохой обусловленности системы основных уравнений, так и в силу наличия погрешностей измерений тока I_Ω и напряжения V_УЭР.To overcome this contradiction, we carry out measurements at large values of resistance RΩ >> R _y , which gives current values close to the operating ones, but the system of basic equations of the problem has a determinant close to zero. To maintain acceptable accuracy, when solving an ill-conditioned system of basic equations, we use the Tikhonov regularization method [Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Methods for solving ill-posed problems. M.: Nauka, 1974, 222 pp.], and instead of two we perform a whole series of measurements with successively increasing values of R _Ω . The solution of this problem is, in principle, approximate, both due to the poor conditionality of the system of basic equations, and due to the presence of errors in measuring the current I _Ω and voltage V _UER .

Возможны различные варианты выполнения серии измерений. Как показало исследование, наибольшую точность дает выполнение серии измерений напряжения на УЭР вольтметром V с подключенной измерительной цепочкой. При этом для каждого значения R_Ω измерения напряжения на УЭР выполняем дважды - с переменой полярности источника ЭДС Е_Ω. В этом варианте измерения силы тока в измерительной цепочке не используем. Каждой паре измерений соответствует система двух уравнений, следующая из второго уравнения в (5):Various options for performing a series of measurements are possible. As the study showed, the greatest accuracy is obtained by performing a series of measurements of the voltage on the UER with a voltmeter V with a connected measuring chain. Moreover, for each value of R_Ω we perform voltage measurements on the UER twice - with a change in the polarity of the EMF source E_Ω. In this version, we do not use current measurements in the measuring chain. Each pair of measurements corresponds to a system of two equations following from the second equation in (5):

ЗдесьHere

- выбранное опорное значение сопротивления R_Ω,

- ЭДС измерительной цепочки, показанная на схеме рис. 2,

- та же по величине ЭДС источника, подключенного с переменой полярности,

соответствующие им значения измеренного напряжения на УЭР. Система уравнений (6) приближенная, так как R₀ в первом и втором уравнении -несколько отличаются, но она тем точнее, чем больше R_Ω. Ее определитель отличен от нуля, но стремится к нулю при

, то есть система является плохо обусловленной как раз при больших R_Ω, где она наиболее точна. Применение метода регуляризации Тихонова к решению системы уравнений (6) устраняет это затруднение и позволяет существенно повысить точность определения искомых параметров R_y, R₀, I. Решение регуляризированной системы уравнений (6) имеет вид:

- selected reference resistance value R _Ω ,

- EMF of the measuring chain, shown in the diagram of fig. 2,

- the same magnitude of the EMF of the source connected with a change in polarity,

the corresponding values of the measured voltage on the UER. The system of equations (6) is approximate, since R ₀ in the first and second equations are somewhat different, but it is the more accurate, the larger R _Ω . Its determinant is non-zero, but tends to zero as

, that is, the system is ill-conditioned just for large R _Ω , where it is most accurate. The application of the Tikhonov regularization method to the solution of the system of equations (6) eliminates this difficulty and makes it possible to significantly improve the accuracy of determining the desired parameters R _y , R ₀ , I. The solution of the regularized system of equations (6) has the form:

где α - параметр регуляризации, подбираемый при отработке способа,where α is the regularization parameter selected during the development of the method,

По найденным значениям

,

вычисляем сопротивления R₀, R_y для каждого значения R_Ω:According to the found values

,

calculate the resistances R ₀ , R _y for each value R _Ω :

В соответствии с сутью метода регуляризации, путем выполнения серии измерений напряжений

на УЭР и вычислений по формулам (7)-(9) для ряда значений сопротивления измерительной цепочки

находим зависимости

(в процессе отработки способа удобно построить их графики), фиксируем на них так называемые «рабочие участки»

где кривые указанных зависимостей наиболее близки к горизонтальным прямым и вычисляем средние значения искомых параметров на рабочих участках:In accordance with the essence of the regularization method, by performing a series of voltage measurements

on the UER and calculations by formulas (7) - (9) for a number of values of the resistance of the measuring chain

find dependencies

(in the process of working out the method, it is convenient to build their graphs), we fix the so-called “working areas” on them

where the curves of the indicated dependences are closest to horizontal straight lines and we calculate the average values of the desired parameters in the working areas:

которые и являются искомыми значениями сопротивления внешней части цепи гальванической пары и сопротивления УЭР. Рабочие участки

то есть допустимые номера к элементов массива

, определяем из условий:which are the desired values of the resistance of the external part of the galvanic pair circuit and the resistance of the UER. Working areas

that is, the valid numbers for the elements of the array

, we determine from the conditions:

I

I

где β_1,2 - параметры, определяющие значения ширины рабочих участков,where β _1,2 - parameters that determine the width of the working sections,

Значения силы тока в цепи гальванической пары в рабочем режиме определяем по той же схеме: для каждой пары значений

относящейся к общей части рабочих участков

вычисляем силу токаThe values of the current strength in the circuit of a galvanic pair in the operating mode are determined according to the same scheme: for each pair of values

relating to the general part of the working areas

calculate the current

и затем искомое значение силы тока в цепи гальванической пары в рабочем режимеand then the desired value of the current strength in the galvanic pair circuit in the operating mode

где

- номинальное (паспортное) значение сопротивления УЭР в исправном состоянии,

- напряжения на УЭР при отключенной измерительной цепочкеWhere

- nominal (passport) resistance value of the UER in good condition,

- voltage on the UER when the measuring chain is off

Описанная последовательность измерений и обработки их результатов содержит несколько параметров, которые до некоторой степени влияют на точность определения искомых величин R_у, R₀, I: R_Ω1 и

- начальное и опорное значения сопротивления измерительной цепочки; Е_Ω значение ЭДС измерительной цепочки; β_1,2 - параметры ширины рабочих участков в методе регуляризации для зависимостей

, α - параметр регуляризации. Для достижения максимальной точности решения поставленной задачи значения этих параметров необходимо подбирать индивидуально для каждой гальванической пары на корабле по результатам испытаний. В процессе отработки предлагаемого способа были получены следующие результаты. Начальное значение сопротивления измерительной цепочки выбираем равнымThe described sequence of measurements and processing of their results contains several parameters that to some extent affect the accuracy of determining the desired values R_at, R₀, I: R_Ω1 And

- initial and reference values of the resistance of the measuring chain; E_Ω EMF value of the measuring chain; β_1.2 - parameters of the width of the working sections in the regularization method for dependencies

, α - regularization parameter. To achieve the maximum accuracy of solving the problem, the values of these parameters must be selected individually for each galvanic pair on the ship according to the test results. In the process of developing the proposed method, the following results were obtained. The initial value of the resistance of the measuring chain is chosen equal to

где

- напряжение на УЭР, измеренное вольтметром V при отключенной измерительной цепочке. Значения других параметров, дающие высокую точность способа, оказались равными:Where

- voltage on the UER, measured by a voltmeter V with the measuring chain turned off. The values of other parameters, giving high accuracy of the method, turned out to be equal:

Для проверки работоспособности предлагаемого метода, получения оценок достижимой точности определения искомых величин R_y, R₀, I и отработки свободных параметров алгоритма было выполнено имитационное моделирование функционирования гальванической пары с подключенной измерительной цепочкой на ПЭВМ с использованием пакета программ Multisim 13.0, предназначенного для анализа электрических цепей. Окно программы, на котором показана схема цепи гальванической пары с подключенными измерительными приборами, представлено на фиг. 3. Имитационная модель цепи гальванической пары содержит источник постоянного напряжения V1, моделирующий суммарную ЭДС ΔЕ гальванической пары, нелинейный элемент Q1, моделирующий сопротивление внешней части цепи гальванической пары R₀, а также сопротивление R2, моделирующее сопротивление УЭР. Слева от основной цепи находится управляющая цепь для нелинейного элемента, позволяющего изменять его параметры. Характер нелинейности элемента Q1 подбирался таким образом, чтобы сила тока в цепи замедляла свой рост по мере уменьшения общего сопротивления цепи гальванической пары. К УЭР подключена измерительная цепочка, состоящая из дополнительного источника ЭДС V3, соответствующего Е_Ω, сопротивления R3, моделирующего переменное сопротивление R_Ω, а также амперметр ХММ1 для измерения тока в измерительной цепочке. Кроме того, к УЭР подключен вольтметр ХММ4. Для контроля силы тока в самой цепи гальванической пары введен амперметр ХММ2. В схему введено два ключа созданных для изменения полярности подключения источника ЭДС Е_Ω.To test the performance of the proposed method, obtain estimates of the achievable accuracy of determining the desired values R _y , R ₀ , I and work out the free parameters of the algorithm, simulation modeling of the functioning of a galvanic pair with a connected measuring circuit on a PC was performed using the Multisim 13.0 software package designed for the analysis of electrical circuits . The program window, which shows a circuit diagram of a galvanic pair with connected measuring devices, is shown in Fig. 3. The simulation model of the galvanic pair circuit contains a constant voltage source V1, simulating the total EMF ΔE of the galvanic pair, a nonlinear element Q1, simulating the resistance of the external part of the galvanic pair circuit R ₀ , and also resistance R2, simulating the resistance of the UER. To the left of the main circuit is a control circuit for a non-linear element that allows you to change its parameters. The nature of the nonlinearity of the Q1 element was selected in such a way that the current strength in the circuit slowed down its growth as the total resistance of the galvanic pair circuit decreased. A measuring chain is connected to the UER, consisting of an additional EMF source V3, corresponding to E _Ω , resistance R3, simulating a variable resistance R _Ω , and an XMM1 ammeter for measuring current in the measuring chain. In addition, a XMM4 voltmeter is connected to the UER. To control the current strength in the galvanic pair circuit itself, an XMM2 ammeter was introduced. Two keys are introduced into the circuit, designed to change the polarity of the connection of the EMF source E _Ω .

Нелинейные свойства сопротивления R₀ иллюстрируются таблицей 2, полученной по результатам моделирования для параметра нелинейности 59%, значения ЭДС гальванической пары ΔЕ=0,5 В при отключенной измерительной цепочке. Для этого задавлись различные значения сопротивления УЭР R_y и определялась сила тока I амперметром ХММ2, затем по закону Ома для всей неразветвленной цепи гальванической пары находилось значение нелинейного сопротивления R₀. Из таблицы видно, чтоThe non-linear properties of the resistance R ₀ are illustrated in Table 2, obtained from the simulation results for the non-linearity parameter of 59%, the EMF value of the galvanic pair ΔE=0.5 V with the measuring circuit turned off. To do this, different values of the resistance of the UER R _y were set and the current strength I was determined by the XMM2 ammeter, then, according to Ohm's law, for the entire unbranched circuit of the galvanic pair, the value of the nonlinear resistance R ₀ was found. It can be seen from the table that

по мере роста силы тока в цепи величина сопротивления R₀ быстроas the current strength in the circuit increases, the resistance value R ₀ quickly

возрастает, что соответствует известной закономерности в цепях гальванических пар: при концентрационной поляризации плотность тока не может превысить некоторой предельной (для данной точки) величины, называемой плотностью предельного диффузионного тока [Иоссель Ю.Я., Кленов Г.Э., Павловский Р.А. Расчет и моделирование контактной коррозии судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1979, с. 13]increases, which corresponds to the well-known pattern in the circuits of galvanic pairs: with concentration polarization, the current density cannot exceed a certain limiting (for a given point) value, called the limiting diffusion current density [Iossel Yu.Ya., Klenov G.E., Pavlovsky R.A. . Calculation and modeling of contact corrosion of ship structures. L .: Shipbuilding, 1979, p. 13]

В соответствии с предлагаемым способом, последовательность операций при моделировании работы цепи гальванической пары с подключенными к УЭР вольтметром и измерительной цепочкой следующая:In accordance with the proposed method, the sequence of operations when simulating the operation of a galvanic pair circuit with a voltmeter and a measuring chain connected to the CER is as follows:

- измеряют напряжение на УЭР

вольтметром V при отключенной измерительной цепочке и устанавливают начальное значение R_Ω1 сопротивления измерительной цепочки в соответствии с выражением (15);- measure the voltage on the UER

voltmeter V when the measuring chain is off and set the initial value R _Ω1 of the resistance of the measuring chain in accordance with expression (15);

- выбирают значение Е_Ω ЭДС измерительной цепочки в соответствии с первым выражением в (16), выполняют измерение значений напряжения

на УЭР для ряда значений сопротивления R_Ωk, k=0, 1,…, N измерительной цепочки (измерения при каждом значении R_Ωk проводят дважды - с переменой полярности источника ЭДС Е_Ω);- choose the value of E _Ω EMF of the measuring chain in accordance with the first expression in (16), measure the voltage values

on the UER for a number of resistance values R _Ωk , k=0, 1,…, N of the measuring chain (measurements at each value of R _Ωk are carried out twice - with a change in the polarity of the EMF source E _Ω );

- выбирают значения параметра регуляризации α и опорное значение

сопротивления измерительной цепочки в соответствии с выражениями в (16), затем согласно выражениям (7) - (9) рассчитывают зависимости R₀=R₀(R_Ω), R_y=Ry(R_Ω);- choose the values of the regularization parameter α and the reference value

the resistance of the measuring chain in accordance with the expressions in (16), then according to the expressions (7) - (9) calculate the dependencies R ₀ =R ₀ (R _Ω ), R _y =Ry(R _Ω );

- по критериям (11), (12) определяют рабочие участки

на зависимостях

и вычисляют значения искомых сопротивлений R₀(I), R_УЭP согласно выражениям (10);- according to the criteria (11), (12) determine the working areas

on dependencies

and calculate the values of the desired resistances R ₀ (I), R _UEP according to expressions (10);

- для каждой пары значений

относящейся к общей части рабочих участков

, вычисляют силу тока I_k согласно выражению (13), определяют рабочий участок

для зависимости I=I(R_Ω) согласно критерию, указанному в правой части (14) и согласно выражению в левой части (14) вычисляют искомое значение силы тока I в цепи гальванической пары в рабочем режиме.- for each pair of values

relating to the general part of the working areas

, calculate the current strength I _k according to expression (13), determine the working area

for the dependence I=I(R _Ω ) according to the criterion indicated on the right side of (14) and according to the expression on the left side of (14), the desired value of the current I in the galvanic pair circuit in the operating mode is calculated.

На графиках фиг. 4-6 приведены результаты моделирования в среде Multisim 13.0 для значения сопротивления УЭР 1,5 кОм, ЭДС гальванической пары 0,5 В, обработанные на ПЭВМ в среде Маткад. Моделирование процедуры измерений на УЭР гальванической пары проводилось для значений сопротивления измерительной цепочки R_Ω от 500 Ом до 11 кОм, ЭДС измерительной цепочки выбрана равной 0,5 В, значение параметра регуляризации выбрано равным α=0,01, различные кривые на графиках соответствуют значениям опорного сопротивления

800-1200 Ом. На графиках фиг. 4, 5 четко выделяются рабочие участки метода регуляризации, причем видно, что изменение значения опорного сопротивления не сильно влияет на положение рабочих участков и по оси ординат. Расчеты рабочих участков выполнены по формулам (11) - (12), ширина участков включает 4 отсчета в интервале значений R_Ω 7-10 кОм. Восстановленные по формулам (10) значения сопротивления составляют 1332 Ом для УЭР (истинное 1500 Ом, точность 11%), для нелинейного сопротивления - 46.2 Ом (истинное 58.9 Ом, точность 17%) Восстановленное значение силы тока (фиг. 6) равно 0.36 мА при истинном 0.32 мА (точность 12.5%). Если параметр регуляризации принят равным нулю (то есть процедура регуляризации не используется), то по результатам моделирования получаются восстановленные значения сопротивления УЭР порядка 3400 Ом, нелинейного сопротивления 100 Ом для тех же исходных данных. На фиг. 7 для примера приведены графики зависимости расчетной зависимости

для α=0. Здесь следует учесть, что реальные измерения на УЭР будут выполняться с небольшой точностью, поэтому погрешности восстановления искомых параметров еще больше возрастут, если не использовать регуляризацию (фактически уже при небольшом огрублении данных моделирования в Multisim 13.0 обработка результатов при α=0 дает еще большие ошибки, вплоть до отрицательных значений сопротивления). Это свидетельствует о необходимости использования метода регуляризации для достижения приемлемой точности восстановления искомых величин.On the graphs of Fig. Figures 4-6 show the results of simulation in the Multisim 13.0 environment for the resistance value of the UER of 1.5 kOhm, the EMF of a galvanic pair of 0.5 V, processed on a PC in the Matkad environment. The simulation of the measurement procedure on the ESR of a galvanic pair was carried out for the values of the resistance of the measuring circuit R _Ω from 500 Ohm to 11 kOhm, the EMF of the measuring circuit was chosen to be 0.5 V, the value of the regularization parameter was chosen to be α=0.01, different curves on the graphs correspond to the values of the reference resistance

800-1200 Ohm. On the graphs of Fig. 4, 5, the working sections of the regularization method are clearly distinguished, and it is clear that a change in the value of the reference resistance does not greatly affect the position of the working sections along the ordinate axis. Calculations of the working sections are made according to formulas (11) - (12), the width of the sections includes 4 readings in the range of values R _Ω 7-10 kOhm. The resistance values restored by formulas (10) are 1332 Ohm for the ESR (true 1500 Ohm, accuracy 11%), for non-linear resistance - 46.2 Ohm (true 58.9 Ohm, accuracy 17%) The restored value of the current strength (Fig. 6) is 0.36 mA at true 0.32 mA (accuracy 12.5%). If the regularization parameter is taken equal to zero (i.e., the regularization procedure is not used), then the results of the simulation result in the restored values of the resistance of the CER of the order of 3400 Ohm, the nonlinear resistance of 100 Ohm for the same initial data. In FIG. 7 for example, graphs of the dependence of the calculated dependence are shown

for α=0. Here it should be taken into account that real measurements on the CER will be performed with a small accuracy, therefore, the errors in restoring the desired parameters will increase even more if regularization is not used (in fact, even with a slight coarsening of the simulation data in Multisim 13.0, processing the results at α=0 gives even greater errors, up to negative resistance values). This indicates the need to use the regularization method to achieve an acceptable accuracy of restoring the sought values.

Рассмотрим теперь случай, когда узел УЭР неисправен и его сопротивление составляет всего 100 Ом. На фиг. 8-10 приведены соответствующие графики зависимостей R_y, R₀,I от R_Ω. Расчеты выполнены в соответствии с формулами (10)-(14), среднее значение сопротивления УЭР по рабочему участку равно 96.75 Ом (истинное 100) точность 4%). Восстановленное значение нелинейного сопротивления составляет 477 Ом (истинное - 614 Ом, точность 22%) Восстановленное значение силы тока (фиг 10) 0,8 мА при истинном 0.7 мА (точность 15%). По результатам моделирования можно сделать вывод, что рабочие участки кривых сильно сократились, причем восстановление значений в большей степени стало зависеть от значений опорного сопротивления.Consider now the case when the CER node is faulty and its resistance is only 100 ohms. In FIG. 8-10 shows the corresponding graphs of dependencies R _y , R ₀ ,I from R _Ω . Calculations are made in accordance with formulas (10)-(14), the average value of the resistance of the SER over the working section is 96.75 Ohm (true 100) accuracy 4%). The restored value of the non-linear resistance is 477 ohms (true - 614 ohms, 22% accuracy). Based on the simulation results, it can be concluded that the working sections of the curves have been greatly reduced, and the restoration of the values has become more dependent on the values of the reference resistance.

Предлагаемый способ может быть реализован путем модернизации существующего прибора М 151, который предназначен для непрерывного автоматического контроля состояния десяти УЭР гальванически активных деталей (конструкций) корабля. Общий вид прибора М 151 показан на фиг. 11. Принцип действия прибора М 151 заключается в измерении напряжения на узлах разъединения, которое сравнивается с предварительно установленным для каждого УЭР напряжением уставки. Если измеренное напряжение между разъединяемыми частями конструкции больше напряжения уставки, то узел разъединения исправен, если меньше - неисправен. Прибор М 151 имеет 10 идентичных каналов, позволяющих непрерывно контролировать 10 различных узлов разъединения, но в его функции не входит получение количественной информации о текущих значениях силы тока в цепи гальванической пары, значений сопротивления УЭР сопротивления внешней части цепи гальванической пары, которое также характеризует сопротивление электроизолирующего покрытия корпуса в месте нахождения второго электрода пары. Реализация этих дополнительных функций требует включения в состав прибора М 151 специального блока, содержащего измерительную цепочку, представленную на фиг. 2 (измерение напряжения на УЭР уже и так производится), который автоматически выполняет цикл измерений напряжений

на УЭР и обработку полученных результатов в соответствии с описанной выше последовательностью действий. При этом используются уже существующие электрические цепи, подключающие прибор к каждому из контролируемых УЭР. Используя современную элементную базу, включая АЦП и ЭВМ, процесс измерений параметров всех основных гальванических пар нетрудно автоматизировать; при этом нет необходимости создавать отдельные измерительные цепочки для каждой гальванической пары, а можно реализовать предлагаемый метод путем последовательного подключения ее к каждому УЭР под управлением ЭВМ. Значения свободных параметров предлагаемого способа E_Ω,

, α, а также начальное значение сопротивления измерительной цепочки

подбираются для каждой гальванической пары индивидуально по результатам предварительной отработки. Полученная информация о значениях силы токов в цепях контролируемых гальванических пар может быть использована для оценки текущих характеристик ЭПК и качества электрической защиты корабля в конкретных условиях плавания.The proposed method can be implemented by upgrading the existing device M 151, which is designed for continuous automatic monitoring of the state of ten RER galvanically active parts (structures) of the ship. A general view of the device M 151 is shown in Fig. 11. The principle of operation of the M 151 device is to measure the voltage at the disconnection nodes, which is compared with the setpoint voltage pre-set for each UER. If the measured voltage between the disconnected parts of the structure is greater than the set voltage, then the disconnect unit is in good condition, if less, it is faulty. The M 151 device has 10 identical channels that allow you to continuously monitor 10 different disconnection nodes, but its function does not include obtaining quantitative information about the current values of the current in the galvanic pair circuit, the resistance values \u200b\u200bof the resistance of the external part of the galvanic pair circuit, which also characterizes the resistance of the electrically insulating covering the housing at the location of the second electrode of the pair. The implementation of these additional functions requires the inclusion in the M 151 device of a special block containing the measuring chain shown in Fig. 2 (measurement of the voltage on the UER is already in progress), which automatically performs a cycle of voltage measurements

on UER and processing of the received results according to the sequence of actions described above. In this case, already existing electrical circuits are used that connect the device to each of the controlled UERs. Using a modern element base, including ADC and a computer, the process of measuring the parameters of all the main galvanic pairs is easy to automate; in this case, there is no need to create separate measuring chains for each galvanic pair, but it is possible to implement the proposed method by connecting it in series to each ERM under computer control. The values of the free parameters of the proposed method E _Ω ,

, α, as well as the initial value of the resistance of the measuring chain

are selected for each galvanic pair individually based on the results of preliminary testing. The obtained information about the values of the current strength in the circuits of controlled galvanic pairs can be used to assess the current characteristics of the EPC and the quality of the electrical protection of the ship in specific sailing conditions.

Claims (17)

1. Способ определения параметров цепи гальванической пары: сопротивления R_УЭР, узла электрического разъединения (УЭР), нелинейного сопротивления R₀(I) внешней части цепи и силы тока I в рабочем режиме, основанный на измерениях напряжения на УЭР, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений указанных параметров, выполняют измерение напряжения на УЭР

вольтметром V, затем выполняют цикл измерений напряжения

, k=1, 2,…, N на УЭР вольтметром V при одновременно подключенной к УЭР измерительной цепочке в составе источника ЭДС Е_Ω и переменного сопротивления R_Ω для ряда последовательно возрастающих значений R_Qk сопротивления измерительной цепочки, причем

где

- номинальное (паспортное) значение сопротивления УЭР в исправном состоянии, ΔE - ЭДС гальванической пары, равная разности стационарных электродных потенциалов катода и анода, и для каждого значения сопротивления R_Ωk измерения напряжения на УЭР производят дважды, с переменой полярности подключения источника ЭДС Е_Ω, затем вычисляют зависимости

I=I(R_Ω) согласно выражениям1. A method for determining the parameters of a galvanic pair circuit: resistance R _CER , electrical disconnection unit (CEC), non-linear resistance R ₀ (I) of the external part of the circuit and current I in operating mode, based on voltage measurements at the CEC, characterized in that, in order to improve the accuracy of measurements of these parameters, the voltage is measured at the UER

voltmeter V, then perform a cycle of voltage measurements

, k=1, 2,…, N on the UER with a voltmeter V with a measuring chain simultaneously connected to the UER as part of an EMF source E _Ω and a variable resistance R _Ω for a number of successively increasing values R _Qk of the resistance of the measuring chain, and

Where

- the nominal (passport) value of the resistance of the UER in good condition, ΔE - the EMF of the galvanic pair, equal to the difference in the stationary electrode potentials of the cathode and the anode, and for each resistance value R _Ωk , the voltage on the UER is measured twice, with a change in the polarity of the connection of the EMF source E _Ω , then dependencies are calculated

I=I(R _Ω ) according to the expressions

гдеWhere

- опорное значение сопротивления измерительной цепочки;

- reference value of the resistance of the measuring chain;

;

; - α - параметр регуляризации, затем согласно критериям- α - regularization parameter, then according to the criteria

гдеWhere β_1,2 - параметры ширины рабочих участков метода регуляризации;β _1,2 - parameters of the width of the working sections of the regularization method;

фиксируют рабочие участки

на кривых зависимостей

и вычисляют искомые величины R₀(I), R_УЭР,I по выражениям:fix work areas

on dependency curves

and calculate the desired values R ₀ (I), R _SER ,I according to the expressions:

где

- общая часть рабочих участков

Where

- the total part of the working areas

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ЭДС Е_Ω измерительной цепочки устанавливают равной ЭДС ΔЕ гальванической пары, опорное значение

сопротивления измерительной цепочки выбирают в интервале значений

параметры ширины рабочих участков метода регуляризации выбирают в интервале значений β_1,2=2…3, параметр регуляризации выбирают в интервале значений α=0,01…0,001.2. The method according to claim 1, characterized in that the EMF E _Ω of the measuring circuit is set equal to the EMF ΔE of the galvanic pair, the reference value

the resistance of the measuring chain is chosen in the range of values

the width parameters of the working sections of the regularization method are chosen in the range of values β _1.2 =2...3, the regularization parameter is chosen in the range of values α=0.01...0.001.

Images